我國鐵路機車/動車組牽引技術(shù)現(xiàn)狀及展望*

錢 銘， 宋永豐

(1 中國國家鐵路集團有限公司 機輛部， 北京 100844;2 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081)

牽引傳動技術(shù)是鐵路機車車輛核心技術(shù)之一，是推動鐵路移動裝備技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是衡量一個國家機車車輛技術(shù)水平的重要指標。從蒸汽機車、內(nèi)燃機車、直流傳動機車、交流傳動機車發(fā)展歷程，牽引傳動方式以高效、節(jié)能，安全、可靠為方向，每次改變都給鐵路帶來革命性的變化。

1 鐵路機車車輛牽傳動技術(shù)現(xiàn)狀

我國現(xiàn)役機車牽引傳動可以分為交流傳動和直流傳動兩種方式。直流傳動機車至今在我國鐵路牽引動力上仍占據(jù)一席之地，在干線重載運輸，國產(chǎn)重載直流電力機車主要以SS4、SS4改及SS4B系列機車為代表，它們是目前國內(nèi)功率最大的重載貨運直流電力機車，承擔(dān)著部分重載貨運任務(wù)；部分客運干線上，SS8、SS9等機車仍擔(dān)當(dāng)著牽引160 km/h速度等級旅客列車任務(wù)。但隨著運用年限的增加，直流機車逐漸進入了報廢淘汰周期，直流傳動機車在未來20年內(nèi)將逐漸退出干線運輸生產(chǎn)一線。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，交流傳動技術(shù)日益成熟，交流傳動機車及動車組已經(jīng)成為中國鐵路的主力軍。目前中國的機車、動車組牽引傳動方式基于IGBT器件及異步電機，經(jīng)過多年的運用及發(fā)展，其控制技術(shù)不斷成熟，可靠性不斷提高。各主機廠根據(jù)其技術(shù)路線及運用需求，各自研制的牽引系統(tǒng)主電路拓撲、整車輪周功率、IGBT器件電壓等級有所區(qū)別。

1.1 主電路拓撲

我國電力機車及高速動車組的牽引變流器主電路拓撲均采用三電平結(jié)構(gòu)或二電平結(jié)構(gòu)，見表1。在中間直流環(huán)節(jié)電壓等級相同的情況下，采用三電平結(jié)構(gòu)時，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)耐壓等級可以降低一半，從而可以選擇低耐壓高開關(guān)頻率器件，并降低單重四象限整流器諧波含量，但其變流器四象限通常為一重，如圖1為CRH2型動車組三電平主電路拓撲示意，所以從整車諧波抑制角度來看，其優(yōu)勢不明顯，同時三電平結(jié)構(gòu)主電路開關(guān)器件較多，控制較為復(fù)雜，在我國高速動車組及電力機車中運用較少。二電平結(jié)構(gòu)的主電路拓撲示意圖如圖2所示，具有控制簡單，技術(shù)成熟，運用經(jīng)驗豐富的特點，在我國主力車型中廣泛運用。

圖1 CRH2型動車組主電路示意圖(三電平)

根據(jù)單臺逆變器輸出控制電機數(shù)量，可以分為軸控方式、架控方式和車控方式。軸控方式為單個逆變器控制單臺電機，可以有效提高黏著利用，一般在機車控制中運用較多，如HXD1、HXD2、HXD3系列機車中，動車組中CRH5型采用軸控方式。架控方式和車控方式在動車組中運用較多，如CRH3型均采用車控方式，CR400BF采用車控方式，CR400AF、CR300AF、CR300BF采用架控方式。既有機車及動車組牽引變流器主電路拓撲類型見表1。

圖2 CR400AF型復(fù)興號動車組主電路示意圖(二電平)

表1 既有機車及動車組牽引變流器主電路拓撲類型

1.2 輪周功率

輪周功率為整車牽引性能的重要指標，我國和諧系列電力機車單軸功率主要分為1 200 kW、1 400 kW和1 600 kW，根據(jù)動軸數(shù)量，整車輪周功率分為7 200 kW、9 600 kW和11 200 kW。各型電力機車關(guān)鍵參數(shù)[1]見表2。

表2 各型電力機車關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)TSI對剩余加速度的要求，普通線路運營高速動車組輪周功率設(shè)計需要滿足在平直道上的剩余加速度不小于0.05 m/s2的要求，160 km/h及以下的城際動車組則根據(jù)快起快停的需求，對加速度的要求更高，其輪周功率設(shè)計與250 km/h動車組相當(dāng)，我國160～350 km/h典型車型的輪周功率見表3。對于山區(qū)長大坡道運用動車組，其輪周功率需根據(jù)具體線路進行針對性設(shè)計，如目前進行可研設(shè)計的川藏鐵路運用動車組，其輪周功率設(shè)計明顯高于既有200 km/h動車組。

表3 各型動車組輪周功率

1.3 中間直流環(huán)節(jié)電壓及器件耐壓等級

中間直流環(huán)節(jié)電壓的選擇是牽引變流器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計的重要依據(jù)，其直接影響牽引變流器器件的選型，如表4所示，我國現(xiàn)有機車和動車組牽引變流器中間電壓主要分為1 800 V、2 800 V和3 600 V。

表4 機車及動車組中間電壓

(1)中間直流環(huán)節(jié)電壓1 800 V

1 800 V中間直流環(huán)節(jié)電壓對應(yīng)的功率模塊一般為3 300 V等級，3 300 V等級功率模塊屬于成熟產(chǎn)品，使用范圍廣，故障率低。由于電壓等級低，模塊允許開關(guān)頻率較高，但由于其電壓較低，相同輸出功率時，所需要的電流較大，導(dǎo)致線纜較粗，發(fā)熱電流大，在小功率牽引系統(tǒng)中應(yīng)用較多，如CR300系列動車組。

(2) 中間直流環(huán)節(jié)電壓2 800 V

2 800 V中間直流環(huán)節(jié)電壓對應(yīng)的功率模塊一般為4 500 V等級，其中間電壓處于中間水平，開關(guān)頻率和輸出電流均處于折中狀態(tài)，在HXD3系列機車中使用較多。

(3)中間直流環(huán)節(jié)電壓3 600 V

3 600 V中間直流環(huán)節(jié)電壓對應(yīng)的功率模塊一般為6 500 V等級，由于中間電壓高，相同輸出功率時，所需電流較小，可以有效降低線纜線徑，減小發(fā)熱，在大功率牽引系統(tǒng)中使用較多，如CR400系列、CRH3系列等動車組。

雖然我國眾多主機廠在牽引系統(tǒng)設(shè)計時采用不同的技術(shù)路線，但其技術(shù)發(fā)展受限于硅器件IGBT和異步電機技術(shù)特點，在體積、質(zhì)量和效率上存在瓶頸。在輕量化、節(jié)能環(huán)保的大背景下，鐵路機車車輛急需采用新的方式促進牽引傳動技術(shù)的發(fā)展。

2 牽引技術(shù)展望

2.1 碳化硅(SiC)器件

一代器件決定一代控制，電力電子領(lǐng)域的控制圍繞著開關(guān)器件展開，從大功率硅二極管、普通可控硅、快速可控硅、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)到現(xiàn)在廣泛運用的絕緣柵極晶體管(IGBT)，新一代功率變換器采用碳化硅(SiC)器件已成為供應(yīng)商研發(fā)的重點，SiC器件的應(yīng)用對變流領(lǐng)域?qū)砀锩缘母淖儯渚哂械蛽p失、高溫動作的特征，具備提高開關(guān)頻率的能力，是代替IGBT的關(guān)鍵器件，將這種器件應(yīng)用在鐵道車輛的主電路系統(tǒng)，可降低牽引變流器和電機損耗，并實現(xiàn)整個主電路系統(tǒng)節(jié)能化、輕量化。SiC器件作為最新一代寬禁帶半導(dǎo)體器件的典型代表，近5年來從材料特性、芯片工藝、封裝技術(shù)等多方面取得重大進步，已經(jīng)逐步在工業(yè)、新能源以及軌道交通領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

日本在SiC器件應(yīng)用領(lǐng)域走在前列，2012年2月小田急電鐵公司研發(fā)適應(yīng)于 DC 750 V/600 V供電制式的系統(tǒng)，在世界上首次將混合型SiC器件裝車投入了商業(yè)運行。根據(jù)文獻[2]，在日本1000系電動車組的性能試驗中，以全SiC器件代替原GTO器件的牽引變流器，對新舊系統(tǒng)進行了耗電量對比測試，裝用全SiC器件的更新車比既有車在牽引狀態(tài)下耗電量降低6.8%左右。日本新型車輛N700S使用SiC器件后，牽引系統(tǒng)實現(xiàn)了小型化和輕量化[3-4]。

雖然SiC器件在牽引系統(tǒng)輕量化、節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢，但其開關(guān)頻率高，在驅(qū)動方面針對器件過電壓、過電流等保護，橋臂高頻串?dāng)_抑制，死區(qū)效應(yīng)補償?shù)刃枰攸c關(guān)注。

2.2 永磁電機技術(shù)

永磁電機由安裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體勵磁，轉(zhuǎn)子磁場因受定子磁場磁拉力作用而隨定子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點具有以下優(yōu)點[5-7]：

(1)永磁電機效率及能耗

異步電機由轉(zhuǎn)子繞組勵磁，存在轉(zhuǎn)子銅耗，轉(zhuǎn)子銅耗約占總損耗1/3，而永磁電機由永磁體勵磁，無轉(zhuǎn)子鼠籠銅耗，同時其功率因數(shù)高，定子電流較小，降低定子銅耗，因此永磁電機總損耗較異步電機減少40%～50%。永磁電機在全速度范圍效率均高于異步電機，在輕載或低速時效率更突出，在地鐵等需要頻繁起停運用場合效果比較明顯,根據(jù)測試結(jié)果，沈陽地鐵節(jié)能率達到10%。

(2)永磁電機噪聲

永磁電機由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在降噪方面具有獨特的優(yōu)勢。由于永磁轉(zhuǎn)子表面不開槽，由齒槽效應(yīng)帶來的電磁噪聲相比異步電機小，同時永磁電機采用全封閉結(jié)構(gòu)，對噪聲有一定的屏蔽作用，阿爾斯通研發(fā)的Citadis型低地板輕軌車輛采用全封閉永磁同步電機，噪聲降低了3～7 dB。

(3)永磁電機功率密度

隨著永磁體磁能積不斷提升，永磁電機功率密度得到提高，由于永磁電機轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生電流，電機損耗小，電機可以設(shè)計的更緊湊，四方永磁動車組永磁電機功率密度比其生產(chǎn)的CRH380A異步電機能量密度提升約18%。在同等尺寸和質(zhì)量的條件下，永磁同步電機可以實現(xiàn)更大的轉(zhuǎn)矩，因此可以實現(xiàn)直接驅(qū)動，省去了齒輪箱。

(4)永磁電機可維護性

全封閉電機設(shè)計免除了定期解體清掃電機內(nèi)部的維護工作。從上世紀90年代開始，國外學(xué)者開展永磁同步系統(tǒng)的理論研究，探索永磁同步牽引系統(tǒng)在軌道交通車輛上應(yīng)用的可能性。2000年后陸續(xù)在軌道交通上進行試驗及商業(yè)應(yīng)用。法國ALSTOM公司研發(fā)裝有永磁同步電機的AGV高速列車于2011年在意大利投入運用[8]，永磁電機外形見圖3，其電動機的單位功率質(zhì)量達1 kg/kW，而之前生產(chǎn)的"歐洲之星"列車的異步電機的單位功率質(zhì)量為1.23 kg/kW。

圖3 AGV高速列車永磁同步電機 12LCS3550C

國內(nèi)永磁電機研究啟動較晚，2015年四方股份研制的基于永磁牽引電機動車組開始進行型式試驗，該車以CRH380A動車組為技術(shù)平臺，變更牽引系統(tǒng)，優(yōu)化車輛接口方案，目前該動車組已經(jīng)完成運用考核。2019年大同公司以HXD2D電力機車為技術(shù)平臺，進行永磁電機牽引系統(tǒng)更換，生產(chǎn)出國內(nèi)第一臺永磁電機直驅(qū)電力機車，目前該機車正在北京環(huán)行鐵道進行型式試驗。國內(nèi)外永磁電機機車車輛典型運用見表5。

表5 永磁電機機車車輛典型運用

雖然永磁電機有顯著優(yōu)點，但永磁電機的諸多特殊性也決定了該技術(shù)路線在應(yīng)用中存在一定的挑戰(zhàn)。例如永磁體存在失磁風(fēng)險，牽引系統(tǒng)控制需要軸控，主電路輸出需要隔離接觸器，永磁電機生產(chǎn)的難度和成本較高。永磁電機在軌道中運用已經(jīng)表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，但其牽引系統(tǒng)主電路拓撲、控制策略等都發(fā)生了變化，還需要在實際運用中積累經(jīng)驗，提高其運用的可靠性。

2.3 電力電子變壓器

傳統(tǒng)牽引變壓器由于頻率較低，變壓器體積及質(zhì)量較大，例如CR400系列復(fù)興號動車組牽引變壓器達到6.4 t。電力電子變壓器依托于SiC器件的應(yīng)用，可以大大提高變壓器輸入電流頻率，使得變壓器工作于高頻工況，從而可以降低變壓器體積和質(zhì)量大小，提高變壓器效率，達到輕量化、小型化、節(jié)能減排的目的。目前國內(nèi)外主機廠及牽引供應(yīng)商均展開相關(guān)的研究。作為電力電子變壓器在鐵路機車車輛運用的里程碑，2011年ABB公司已經(jīng)在其工程維護電力機車上成功調(diào)試了一臺電力電子變壓器，這是世界上首臺運用電力電子變壓器的電力機車[9]。其外形及主要拓撲見圖4、圖5，參數(shù)見表6。受限于開關(guān)器件耐壓等級的限制，單個H橋整流器是無法直接與牽引網(wǎng)相連從而實現(xiàn)整流的。為解決耐壓問題，在整流側(cè)采用級聯(lián)的形式，副邊采用半橋電路,與傳統(tǒng)變壓器相比，質(zhì)量大小降低高達54%。

圖4 ABB公司研制的電力電子變壓器外形

圖5 ABB公司研制的電力電子變壓器拓撲

表6 ABB研制的電力電子變壓器主要技術(shù)參數(shù)

電力電子變壓器研究在我國起步較晚，在軌道交通領(lǐng)域中車株洲電力機車研究所、西南交通大學(xué)等均有小功率樣機研制，但均沒有裝車經(jīng)驗。

電力電子變壓器由于其原邊級聯(lián)較多，存在參數(shù)相關(guān)耦合現(xiàn)象，且包含開關(guān)器件較多，控制復(fù)雜，還需要進一步提高系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性。

2.4 無速度傳感器技術(shù)

在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，電機轉(zhuǎn)子軸端安裝速度傳感器，作為參與電機控制的主要輸入?yún)?shù)。速度傳感器的使用，增加了傳感器及線纜購置成本，降低了系統(tǒng)的可靠性，加大了電動機的空間尺寸和體積。由于上述諸多缺點的存在，無速度傳感器技術(shù)利用定子電壓、電流等容易檢測到的物理量進行速度估計以取代速度傳感器成為人們研究熱點。20世紀70～80年代起，研究人員開始對無速度傳感器控制技術(shù)展開深入研究，1998年以來，陸續(xù)在地鐵、有軌電車等裝車。日本采用無速度傳感器控制技術(shù)的205系5000型電動車組及8800型電動車組通過試驗測試并投入運營。由西門子交通部和德國魯爾大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的應(yīng)用于更大功率的無速度傳感器控制裝置在西班牙地鐵通過測試[10]。國內(nèi)中車株洲時代電氣研發(fā)的無速度傳感器控制系統(tǒng)在無錫地鐵1號線裝車運行[11]。

無速度傳感器的控制系統(tǒng)省去安裝速度傳感器帶來的缺點，在地鐵中得到應(yīng)用，但速度的估計精度，系統(tǒng)的抗干擾、抗參數(shù)變化能力的魯棒性有待進一步提高，在國內(nèi)機車、動車組中還未有運用。

3 結(jié)束語

牽引技術(shù)作為鐵路機車車輛的核心技術(shù)，是鐵路機車車輛發(fā)展的重要基礎(chǔ)。文中總結(jié)了我國現(xiàn)有機車、動車組牽引傳動技術(shù)的特點，并展望了SiC器件、永磁電機技術(shù)、電力電子變壓器技術(shù)、無速度傳感器控制技術(shù)在軌道交通的應(yīng)用，新技術(shù)的應(yīng)用對牽引系統(tǒng)輕量化、小型化，節(jié)能等方面均具有明顯的優(yōu)勢，對軌道交通牽引技術(shù)的發(fā)展具有深遠的意義。